技術分野
この発明は、固体酸化物燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ、以下ＳＯＦＣと略記する）の新規な構成に係り、ガス通路孔部を基板の中心部に設ける構成によって、セル構成板と金属製ガスセパレータ板を極めて薄く形成でき、例えば積層したセル構成板のピッチを２ｍｍ以下となし、また基板の中央のガス通路孔部で積層した基板全体を締結して高温作動時に生じるサーマルサイクル耐性を高めることが可能で、特に金属板の両面にエッチングでガス通路の形成をしたガスセパレータ板を用いることで、部品点数が少なく小型、軽量化が可能で安価に提供できる燃料電池に関する。
背景技術
今日、実用化されているＳＯＦＣの構成に、燃料極としてニッケルとイットリア安定化ジルコニアとのサーメット多孔体、固定電解質としてイットリア安定化ジルコニア、空気極としてランタンマンガナイト、インターコネクト材としてランタンクロマイトを用い、一端を閉塞した円筒型のセルとして、これを多数個束ねるようにしてスタックユニットを形成する、いわゆる円筒型ＳＯＦＣがある。
また、板状の多孔体からなる燃料極、電解質、多孔体からなる酸素極を順次積層したセルを、緻密体のインターコネクト板で挟む構成となして、これを積層スタック配置する、いわゆる平板型ＳＯＦＣが実用化されている。
燃料電池発電の基本構成は、上記のごとく燃料の改質、電池本体、電池から発生する直流を交流に変換するインバータからなるが、ＳＯＦＣは、燃料として水素（Ｈ２）の他にメタン（ＣＨ４）などを燃料として取り入れることができ、電池部でも燃料ガスの改質（内部改質）が可能であるとされている。すなわち、電池で反応した残りの未燃ガスは燃焼させ、その燃焼熱を改質反応（吸熱反応）に利用することが可能である。
ＳＯＦＣは、熱の利用効率が高いことにより、５０％以上の発電効率が期待でき、また、電池作動温度が１０００℃と高温であることから、その排熱を蒸気回収器により高温蒸気を回収するコージェネレーションシステムへの適用が期待できると考えられている。
セルは、耐熱性を考慮して一般に固体セラミックスに形成され、また発電効率を図るためセルを束ねたり、スタック配置するため、各部材間の温度差や熱膨張係数の差異などに起因する割れに対する対策が求められている。
前記平板型ＳＯＦＣは、セル密度を高くできるが、積層体構造のため、セルの各部の熱膨張率差や平面方向の温度分布のばらつきを少なくして、サーマルサイクル耐性を向上させるかが重要であって、基本的にサーマルサイクル耐性に劣る問題がある。
円筒型ＳＯＦＣは、セル上端だけ固定する構成を採用すると、サーマルサイクル耐性に対する円筒長手方向の膨張収縮に関して信頼性が高い特徴を有する。しかし、円筒型セルを多数束ねて配置する構造、並びに空気や燃料を効率よく流れるようにした構造は複雑で、空間利用効率が低くスペースを取り、セラミックス材の電気伝導が劣ることから電力出力が低くなり、電気接続もニッケルフェルトを挟むなどの特別の配慮を行う必要がある。
発明の開示
この発明は、セルのガス配管、通路系統を極めて簡素にできる基本構成を目的としている。また、この発明は、発電効率を大きく向上させるため、未燃ガスをできるだけ減少させるためにスタック構造を有するＳＯＦＣを提案することを目的としている。
また、この発明は、部品点数が少なく軽量、コンパクトで安価に製造できる構成からなるＳＯＦＣを提案することを目的としている。
さらに、この発明は、セルの空気及び燃料のガスの流れや分布を均一にしてサーマルサイクル耐性が生じ難い構成からなるＳＯＦＣを提案することを目的としている。
発明者らは、ＳＯＦＣにおいて、空気（酸化剤）ガス及び水素（燃料）ガスの流れや分布を均一にできる構成について種々検討した結果、ディスク基板の中央から放射状にガス通路を設けること、そのためにディスク基板の中央に貫通孔を設けてガスの導入出部を集中させることに着目したところ、基板中央部に板の軸中心にガス通路用の中心貫通孔を有しかつこれを中心として対称位置に複数のガス通路用の周囲貫通孔を配置したガス通路孔部を形成すると、積層した各セル基板などを中央部のガス通路孔部で支持、締め付けが可能で、燃料ガス及び酸化剤ガスの各ガス流れの最適化を図りかつガス分布を各々均一にでき、特に温度分布が半径方向に均一となり、熱膨張に伴う熱応力等の発生が少なく、サーマルストレスが発生し難い構成であることを知見した。
また、発明者らは、前記中心貫通孔とこれを中心として対称位置に複数の周囲貫通孔を配置したガス通路孔部は、前述の積層したスタックユニットの中央部での支持、締め付け用にシャフトを挿通配置することが可能である他、該シャフトを利用したり、ヒートパイプや二重管等を用いてガスの加熱や排熱処理を行うなどの熱交換手段を適宜配置できることを知見した。
また、発明者らは、基板中央部に前記ガス通路孔部を形成することによって、固体電解質基板の軸中心部のガス通路孔部の外周側の各基板主面に燃料側電極層と空気側電極層をそれぞれ成膜した構成のセル構成板を採用でき、セル構成板を薄板化できるため、金属製の薄板のガスセパレータ板とを適宜積層配置することで、前記セルのスタックを中央部で支持、締め付けできることと相まって極めて軽量、コンパクトな燃料電池を構成できることを知見した。
また、発明者らは、ガスセパレータ板には、ガス通路孔部の外周側の各基板の片面又は両主面に燃料通路又は空気通路パターンがそれぞれ形成された構成を採用できること、この通路パターンは、板の主面に金属又は合金材のメッシュ部材あるいは打ち抜き又はエッチング部材を配置して容易に形成でき、また、金属又は合金板を用いてその表面をエッチングすることで容易に通路パターンを形成でき、前記の固体電解質基板の両面に電極を成膜したセル構成板とともに薄板化が可能で、例えばセル構成板とガスセパレータ板が交互に積層された構成で、その積層ピッチを２ｍｍ以下、１ｍｍ程度にもでき、極めて軽量、コンパクトな燃料電池を構成できることを知見した。
さらに、発明者らは、上述の薄板の主面に電極層やガス通路パターンを形成した構成を採用することで、ガスセパレータ板はインターコネクターとして２つのガス通路形状を各々のガス組成と流量に合わせて別々に設計して形成することが可能となること、ガスセパレータ板の両面にエッチングにて形成するかあるいはメッシュ部材、エッチング部材を配置してガス通路の精密なパターン形成できることから、ガス流れの最適化による電池性能の向上を図ることができ、また金属を使用することで集電能力が高く発電ロスが少ない構成を実現できることを知見し、この発明を完成した。
すなわち、この発明は、中心軸と同心配置の中心貫通孔とその周囲に設ける複数個の周囲貫通孔とから形成される通路孔部を円板中心部に有したセル構成板と、前記と同様構成の通路孔部を円板中心部に有してその外周側主面にガス通路を有するガスセパレータ板とを積層した積層体であり、各貫通孔のいずれか又は全てを燃料又は酸化剤のガス通路となし、かつ通路孔部に形成するガス通路パターンにより積層板間のガス通路とを接続又は遮断した構成からなることを特徴とする燃料電池である。
また、発明者らは、上記構成の燃料電池において、中心貫通孔と周囲貫通孔のうち少なくと１孔を積層体の締結用シャフトの挿通用孔として専用使用またはガス通路と兼用使用する構成を採用すると、薄円板を多数積層したスタック構造の燃料電池、すなわち円柱状積層体の軸心部で支持することから、熱バランスかつサーマルサイクル耐性に優れることを知見した。
また、発明者らは、上記構成の燃料電池において、燃料ガスと酸化剤ガスのガス流に、中央の通路孔部から積層板間の放射方向の反応用ガス通路を経て積層体外周部へ放出されるフローアウト、又は逆に積層体外周部から積層板間の反応用ガス通路を経て中央の通路孔部へ導入されるフローインするオープンガス流構成、あるいは中央の通路孔部から積層板間の反応用のガス通路を経て積層体外周側から再度中央の通路孔部へ戻るクローズドガス流構成を採用することが可能であること、すなわち燃料ガスと酸化剤ガスが共にフローアウトのオープンガス流かクローズドガス流である構成、あるいは燃料ガスと酸化剤ガスのガス流れが相互に異なってオープンガス流（フローアウト又はフローイン）かクローズドガス流のいずれかである構成を採用でき、発電効率の向上、構造の簡素化、ガス回収の高効率化等の用途や機能の追求に応じた種々構成の燃料電池を提供できることを知見した。
発明を実施するための最良の形態
この発明は、薄板状のセル構成板とガスセパレータ板とを積層して形成した燃料電池の構成、特に反応ガスの流れは基本的に各薄板の主面に沿って中央部から放射状に外周部へと流れるか、又は外周部から再度中央部に戻るように、あるいは外周部から中央部へと流れるガス通路を設け、酸化剤ガス及び燃料ガスの供給通路と分配のための通路を全て各薄板の中心部に貫通孔を設けて形成したもので、積層した際に積層方向の貫通孔にガスの供給通路が形成される燃料電池の構成を特徴としている。
図１に示すセル構成板１は、ここでは薄円板からなる固体電解質基板２の軸中心に燃料ガス通路用の中心貫通孔３を有し、かつこれを中心として対称位置に複数の酸化剤ガス通路用、ここでは４個の周囲貫通孔４ａ〜４ｄを配置したガス通路孔部５を形成してある。すなわち、ガス通路孔部５は、軸中心にある１つの中心貫通孔３と、その周囲に軸対称に配置された２つ以上の周囲貫通孔４により構成される。
また、セル構成板１は、ここでは固体電解質基板２の両主面の全面に、それぞれ燃料側電極層６と酸化剤側電極層７を成膜してある。
図２にガスセパレータ板１０を示すが、上記のガスセパレータ板１０と同様にここでは薄円板からな金属基板１１の軸中心に燃料ガス通路用の中心貫通孔１２を有し、これを中心として対称位置に４個の酸化剤ガス通路用の周囲貫通孔１３ａ〜１３ｄを配置したガス通路孔部１４を形成してある。
また、ガスセパレータ板１０は、その主面にガス通路パターンを形成してあるが、図２Ａに示す例は、酸化剤ガス用パターンであり、中心貫通孔１２と周囲貫通孔１３ａ〜１３ｄとの間のガス通路孔部１４に凸部１５を形成してあり、また周囲貫通孔１３ａ〜１３ｄの外周側に放射状に小突起１６を形成し、セル構成板１と積層した際に中心貫通孔１２は前記凸部１５に外周部を閉塞されるため、セル構成板１とガスセパレータ板１０との間には中心貫通孔１２から燃料ガスは供給されない。
しかし、周囲貫通孔１３ａ〜１３ｄの周囲は、小突起１６が間隔を置いて配置されるために、同孔より酸化剤ガスがセル構成板１とガスセパレータ板１０との間に供給されて分散することとなる。
また、図２Ｂに示す例は、ガスセパレータ板１０の燃料ガス用通路パターンであり、周囲貫通孔１３ａ〜１３ｄの周囲に凸部１７ａ〜１７ｄを形成してあり、また周囲貫通孔１３ａ〜１３ｄの外周側に同心円状多数の円弧状凸部１８と放射状凸部１９とを形成して、ガス通路孔部１４から放射方向にかつ蛇行するガス通路パターンを設けてある。従って、セル構成板１と積層した際に周囲貫通孔１３ａ〜１３ｄは前記凸部１７に外周部を閉塞されるため、セル構成板１とガスセパレータ板１０との間に酸化剤ガスが進入することなく、中心貫通孔１２から燃料ガスが供給、分散されることになる。
図２に示すガスセパレータ板１０は、ステンレス鋼のように金属又は合金材より構成することで、前述のガス通路パターンを構成する各種の凸部１５，１７ａ〜１７ｄ，１８，１９や小突起１６を残すように所要部をマスキングして行うエッチング処理にて容易にかつ精密に形成することが可能である。
このエッチング処理にて前記の蛇行する燃料ガス用通路内に集電用突起部を設けることができる。ガス流れに影響を与えないように所要間隔で針を配置するように、例えば１ｍｍ以下の幅又は径の突起や条を３ｍｍ以下のピッチで製作できる。
ガスセパレータ板１０の主面に設けるガス通路パターンは、ステンレス鋼薄板の片面に燃料ガス用通路パターンあるいは酸化剤ガス用通路パターンのいずれかを設けることもでき、両面にそれぞれ燃料ガス用と酸化剤ガス用ガス通路パターンを設けることができる。
ガスセパレータ板には、インターコネクト材として使用可能な公知の金属材料が適宜選定でき、耐熱性や耐食性、さらには他部材との熱膨張係数の整合性を考慮すると、フェライト系合金、オーステナイト系合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｗ系合金材料が好ましい。例えばフェライト系合金としてはＳＵＳ４３０など、オーステナイト系合金としてはＳＵＳ３１０などがある。また、Ｆｅ−１８Ｃｒ−７Ｗ系等に代表されるＦｅ−Ｃｒ−Ｗ系合金材料なども採用できる。
また、ガスセパレータ板表面には、各種コーティング材を設けることが可能で、例えば、酸化剤ガス側に電気接触抵抗の低減とフェライト鋼からのＣｒ蒸発防止のために、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ３などの酸化剤側電極材料と同様材料等を用いたり、燃料ガス側に電気接触抵抗の低減のためにＣｅ０．８Ｙ０．２Ｏ１．９などの導電性の高い材料を用いることができる。
なお、セル構成板１は、図１Ｂに示すように固体電解質基板２の両面にそれぞれ燃料側電極層６又は酸化剤側電極層７を成膜した構成とすることが可能であり、固体電解質並びに燃料側電極層、酸化剤側電極層の各材料には、公知のいずれの材料も採用できる。
例えば、固体電解質には、一般的な安定化ジルコニア、燃料側電極材料には、Ｎｉ／ＹＳＺサーメット、酸化剤側電極材料には、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３等、公知のいずれの材料も採用できる。
この発明において、セル構成板１とガスセパレータ板１０の積層構成は、各基板のガス通路構成などに応じて種々の積層パターンが採用できる。例えば、図３に示す積層体例は、図１に示す固体電解質基板２の両面にそれぞれ燃料側電極層６又は酸化剤側電極層７を成膜したセル構成板１と、図２に示す燃料ガス用通路パターンと酸化剤ガス用通路パターンをステンレス鋼薄板の両面に設けたガスセパレータ板１０とを交互に積層配置した構成からなる。
特に、ガスセパレータ板１０の両面にエッチングでガス通路を形成すると、該板１０の軽量化が顕著であり、かつ積層枚数の低減も可能であるから、積層したセルスタックユニットの軽量化が達成できる。
セル構成板１とガスセパレータ板１０のガス通路孔部５，１４は、前述したように軸中心に燃料ガス（Ｆ）通路用の中心貫通孔３，１２を有し、これを中心として対称位置に４個の酸化剤ガス（Ａ）通路用の周囲貫通孔４ａ〜４ｄ、１３ａ〜１３ｄを配置したガス通路孔部５，１４を形成してある。従って、図３に示すごとくセル構成板１とガスセパレータ板１０を交互に積層することによって、積層方向に各貫通孔が連通して５本のガス通路が形成される。
図３では各薄板が当接した状態を示していないが、中心貫通孔３，１２による燃料ガス通路から供給される燃料ガス（Ｆ）の水素は、各ガスセパレータ板１０の下側面に導入分散されてセル構成板１の上側の燃料側電極層６と接触し、また周囲貫通孔４ａ〜４ｄ、１３ａ〜１３ｄによる酸化剤ガス通路から供給される酸化剤ガス（Ａ）の空気は、各ガスセパレータ板１０の上側面に導入分散されてセル構成板１の下側の酸化剤側電極層７と接触し、セル構成板１とガスセパレータ板１０の外周側に排出される。
図４に示す積層体例は、図３と同様構成のセル構成板１とガスセパレータ板２０であるが、図４のガスセパレータ板１０の両主面のガス通路は、金属基板をエッチング処理にて形成した溝により通路を構成しているのに対して、図５のガスセパレータ板２０は、例えばガス通路孔部２４はエッチング処理にて図２Ａ，Ｂと同等に構成し、その外周側にリング状の金属メッシュ部材２５を配置することで両主面にガス通路を形成している。
この場合、金属メッシュ部材２５による集電能力の向上、すなわち発電ロスが少ない構成とすることができる。金属メッシュ部材には、ＪＩＳ規格のステンレス鋼線、ニッケル合金線による平織り、綾織り等の構成が採用でき、線径も０．０５〜０．２ｍｍ程度のものから適宜選定できる。
なお、上記の金属メッシュ部材に換えて、ガス通路パターンを形成できる金属又は合金材の打ち抜き部材又はエッチング部材を用いて積層しても、同様の作用効果を奏することは言うまでもない。
図３と図４に示す積層体構成では、セル構成板１とガスセパレータ板１０，２０を積層して、中心貫通孔３，１２，２２内にシャフトを挿通して積層体の両端部に締結用ディスクを当接させ、これをシャフトにナット止めすることで、積層される板を各ガス通路孔部５，１４，２４で当接させて締結できるため、いわゆるスタック配置するセルを各円板の中央部で支持し、かつ締結用シャフトで締め付けて一体化でき、円板の同士の密着にてガス通路が形成されて、各ガスを中央から放射状に流すことが可能で、サーマルサイクル耐性の低減とともにガス流れを均等化できる。
この発明において、締結用シャフトを挿通する孔は、上記の例のように中心貫通孔のみの場合のほか、中心貫通孔と周囲貫通孔の一部又は全部を用いる場合、周囲貫通孔の一部又は全部を用いる場合など、種々のレイアウトが採用でき、いずれも単数又は複数のシャフトを軸対称配置して積層体を締結する構成が採用できる。
中心貫通孔と周囲貫通孔はガスの供給又は排出通路となるため、複数の締結用シャフトを所要の貫通孔内に挿通すると、ガス種により熱を受ける場合があり、各締結用シャフトへの入熱等が均等となるように通路とガス種を適宜選定するとよい。また、この締結用シャフトをバルクやヒートパイプの熱伝導体として、あるいは二重管などを利用して、セルスタックユニットからの熱放出や熱回収を積極的に行う構成、あるいは所定ガスの加熱、温度管理を行う構成として利用することができる。
図３と図４に示すセルをスタック配置した積層構成では、積層したセルユニットを円筒体内に入れて、前記した外周部に排出されるガスを回収する構成が採用できる。又、図示しないが、セル構成板１とガスセパレータ板１０，２０の外周部に貫通孔を適宜配置してかつ前述のガス通路孔部と同様に酸化剤ガスと燃料ガスをそれぞれ個別に回収する連通孔を形成することも可能である。
図３と図４に示すセルユニット例では、酸化剤ガスと燃料ガスをそれぞれ中央の通路孔部から積層板間の放射方向のガス通路を経て積層体外周部へ放出されるオープンガス流構成である。
さらに、この発明の構成では、中央の通路孔部から積層板間の放射方向のガス通路を経て積層体外周側から再度中央の通路孔部へ戻るクローズドガス流構成を採用するが可能であり、酸化剤ガスおよび燃料ガスを共にクローズドガス流とするほか、酸化剤ガスと燃料ガスにオープンガス流構成とクローズドガス流構成を組み合せることが可能である。
図５Ａに示すガスセパレータ板３０は、図２Ａに示す例と同様に、オープンガス流構成の酸化剤ガス用通路パターンであり、金属基板３１の中心に設けた比較的内径の大きな１つの中心貫通孔３２と、その周囲に配置した内径の小さな８つの周囲貫通孔３３ａ〜３３ｈとでガス通路孔部３４が形成され、周囲貫通孔３３ａ〜３３ｈの周囲に環状凸部３５ａ〜３５ｈを形成してあり、また周囲貫通孔３３ａ〜３３ｈの外周側に同心円状に多数の小突起３６を形成してある。
図示しないが、中心貫通孔３２と８つの周囲貫通孔３３ａ〜３３ｈとで構成されるガス通路孔部を有し、各基板主面に燃料側電極層と酸化剤側電極層をそれぞれ成膜したセル構成板と、図５Ａに示すガスセパレータ板３０とが当接積層された際に、周囲貫通孔３３ａ〜３３ｈは環状凸部３５ａ〜３５ｈで閉塞されて、中心貫通孔３２はセル構成板と当該ガスセパレータ板３０との間に連通して、中心貫通孔３２から供給される酸化剤ガスが環状凸部３５ａ〜３５ｈの間を通って放射方向に供給され、小突起３６にて分散されて板外周端より放出される。
また、図５Ｂに示す例は、ガスセパレータ板３０の他主面に形成した燃料ガス用通路パターンであり、クローズドガス流構成をなしている。すなわち、金属基板３１の中心に設けた中心貫通孔３２の外周全てのうち周囲貫通孔３３ａ〜３３ｈの周囲の一部を残して略環状の凸部３７を形成してあり、また周囲貫通孔１３ａ〜１３ｄの外周側に同心円状に多数の円弧状凸部３８ａと放射状凸部３８ｂとを形成して略環状の凸部３７と接続形成し、金属基板外周端にリング状凸部３９を形成することで、前記の同様通路孔部を有するセル構成板と当該ガスセパレータ板３０とが積層された際に、特定の周囲貫通孔３３ｂ，３３ｃ，３３ｆ，３３ｇから供給される燃料ガスが放射方向に導入されてかつ蛇行して外周側へ進み、外周部から再度蛇行して中心側へ戻り、先とは別の特定の周囲貫通孔３３ａ，３３ｄ，３３ｅ，３３ｈに入るガス通路パターンを形成してある。
従って、図５に示すガスセパレータ板３０とセル構成板とからなるセルをスタック配置した積層体の場合は、酸化剤ガスは中心貫通孔３２から供給されてオープンガス流構成でセル外周側に排出され、燃料ガスは周囲貫通孔３３ｂ，３３ｃ，３３ｆ，３３ｇから供給されて、先とは別の特定の周囲貫通孔３３ａ，３３ｄ，３３ｅ，３３ｈに入るクローズドガス流構成で回収されることになる。
図６に示すガスセパレータ板４０は、燃料ガス用通路パターンと酸化剤ガス用通路パターンとが共にクローズドガス流構成となるように各通路が形成されている。図６Ａに示す構成は燃料ガス用通路パターンであり、金属基板４１の中心に設けた比較的内径の大きな１つの中心貫通孔４２と、その周囲に配置した内径の小さな６つの周囲貫通孔４３ａ〜４３ｆとでガス通路孔部４４が形成され、周囲貫通孔４３ａの一部を除いて周囲貫通孔４３ｂ，４３ｃの周囲に略半円状凸部４４ａを形成してあり、同様に周囲貫通孔４３ｄの一部を除いて周囲貫通孔４３ｅ，４３ｆの周囲に略半円状凸部４４ｂを形成して、２つの略半円状凸部４４ａ，４４ｂで中心貫通孔４２を挟み、直径方向の通路を形成してある。
また、金属基板４１上の略半円状凸部４４ａ，４４ｂには、その外周側に設けた円弧状凸部４５を放射状凸部４６と接続形成してあり、外周部にはリング状凸部４７が形成され、同様構成の貫通孔を配置したガス通路孔部を有して各基板主面に燃料側電極層と酸化剤側電極層をそれぞれ成膜したセル構成板と積層した際に、中心貫通孔４２から供給される燃料ガスを、放射状凸部４６、円弧状凸部４５に沿って蛇行させて、再度中央部へ戻して特定の周囲貫通孔４３ａ、４３ｄより回収する構成である。
図６Ｂに示す構成は、ガスセパレータ板４０の他主面に形成された酸化剤ガス用通路パターンであり、貫通孔の配置は全く同じであり、中心貫通孔４２の周囲と全ての周囲貫通孔４３ａ〜４３ｆの周囲を覆うように略円状の凸部４８が形成されるが、周囲貫通孔４３ｂ，４３ｃ，４３ｅ，４３ｆの周囲には外周側を望むように凸部が除かれて通路部が形成されている。隣接配置される周囲貫通孔４３ｂ，４３ｃ間及び周囲貫通孔４３ｅ，４３ｆ間の凸部４８と円弧状凸部４５とをそれぞれ放射状凸部４６で接続することで、外周部リング状凸部４７との間に半円主面上を蛇行する通路が形成されている。
図６Ｂに示す酸化剤ガス用通路パターンは、例えば囲貫通孔４３ｅから導入された酸化剤ガスは、放射状凸部４６、円弧状凸部４５に沿って蛇行させて、再度中央部へ戻して導入側に隣接する周囲貫通孔４３ｆより排出回収される。
従って、図６に示すガスセパレータ板４０とセル構成板とからなるセルをスタック配置した積層体の場合は、燃料ガスは中心貫通孔４２から供給されてクローズドガス流構成で特定の周囲貫通孔４３ａ，４３ｄに排出され、酸化剤ガスは周囲貫通孔４３ｂ，３３ｅから供給されて、先とは別の特定の周囲貫通孔４３ｃ，４３ｆに入るクローズドガス流構成で回収されることになる。
また、図６Ｂに示すクローズドガス流構成のガス通路パターンは、これをガスセパレータ板５０の両面に形成することで、酸化剤ガスと燃料ガスをそれぞれクローズドガス流となすことができる。
すなわち、図７Ａ，Ｂに示すごとく、金属基板５１の中心に設けた比較的内径の大きな１つの中心貫通孔５２と、その周囲に配置した内径の小さな８つの周囲貫通孔５３ａ〜５３ｈとでガス通路孔部５４が形成され、中心貫通孔５２と周囲貫通孔５３ａ〜５３ｈの周囲を囲むように貫通孔と通路の接続、遮断を決定する凸部５５ａ，５５ｂが配置される。
図７Ａでは、凸部５５ａは周囲貫通孔５３ａ，５３ｈ，５３ｄ，５３ｅの周囲には外周側を望むように凸部が除かれて通路部が形成され、隣接配置される周囲貫通孔５３ａ，５３ｈ間及び周囲貫通孔５３ｄ，５３ｅ間の凸部５５ａと円弧状凸部５６とをそれぞれ放射状凸部５７で接続することで、外周部リング状凸部５８との間に半円主面上を蛇行する通路が形成されている。
この構成によって、図７Ａのパターンを酸化剤ガスのガス通路とすることが可能であり、さらに図７Ｂに示すごとく、通路と連通する周囲貫通孔を変えるように図７Ａの凸部５５ａのパターンから９０度ずらした凸部５５ｂの構成とすることで、図７Ａとは異なる周囲貫通孔５３ｂ，５３ｃ間及び周囲貫通孔５３ｆ，５３ｇ間で燃料ガスをそれぞれクローズドガス流となすことができる。
図８に示すガスセパレータ板６０は、金属板の両面にエッチングでガス通路を形成する利点を最大限に追求したものである。すなわち供給ガス種類、ガスの圧力や流量等の違いに応じて、滞留なく均等に流れて反応効率が向上するように考慮した流路パターンでかつ充分な集電性能が発揮されるパターンを選定して金属板の両面にそれぞれエッチングしたものである。
エッチングは、このように任意パターンでかつ精密に形成でき、また微細パターンで集電性能とガス拡散性の良いインターコネクタを製造できる。
通路パターンを詳述すると、図８は酸化剤ガス用通路パターンを示すもので、基本的には図５Ａに示す中央から外周部へ流れるオープンガス流構成の酸化剤ガス用通路パターンと同様の考え方で構成されている。金属基板の中心に設けた内径の大きな１つの中心貫通孔と、その周囲に配置した内径の小さな８つの周囲貫通孔６３とでガス通路孔部が形成され、かつこの周囲貫通孔の周囲に略環状凸部が形成され、また図５Ａに示す同心円状に多数配置した小突起を千鳥状に接続するがごとく、細いクランク状凸部を所定間隔で放射状に配置することで、中心貫通孔から細いクランク状の通路を経て外周へ至る酸化剤ガス用通路が形成され、細いクランク状凸部（溝部）の連続でいわゆるヘリーンボーン模様を呈している。
図示しないが、図８に示す金属基板の裏面側主面に燃料ガス用通路パターンを設けるが、これも同様に細いクランク状凸部を形成し、また外周部にはリターン用連続通路を設けることで、周囲貫通孔から出た燃料ガスがヘリーンボーン模様の通路を往復して又隣接の周囲貫通孔へ戻るクローズドガス流を構成することができる。
実 施 例
実施例１
図１に示す構造のセル構成板１として、直径６０ｍｍ、厚み０．１ｍｍの安定化ジルコニア（８ＹＳＺ）基板の両面に、厚み０．０１５ｍｍのＮｉ／ＹＳＺサーメット材の燃料側電極膜、厚み０．０１５ｍｍの（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ３材の酸化剤側電極膜を成膜して作製した。
図２に示す構造のガスセパレータ板１０として、直径６０ｍｍ、厚み０．８ｍｍのフェライト鋼基板の両面に、エッチングにて基板厚み０．２ｍｍ、通路高さ０．３ｍｍとなるようにガス通路パターンを形成して作製した。
得られたセル構成板１とガスセパレータ板１０を交互に積層して、中心貫通孔３，１２，２２内にシャフトを挿通して積層体の両端部にフェライト鋼製の締結用ディスクを当接させ、これをシャフトにナット止めすることで、積層される板を各ガス通路孔部５，１４，２４で当接させて締結して、セルが３０段となるセルスタックユニットを作製し、円筒内に配置してオープンガス流構成で排気される酸化剤ガスと燃料ガスを筒内で回収するように構成した。なお、セル構成板１とガスセパレータ板１０を交互に積層する際のガス通路部のシールは材料同士の当接のみでシール材は使用しなかった。
以上の構成からなる燃料電池は、構成部品としてスタックユニット自体は基本的にセル構成板とガスセパレータ板の２点であり、付随的に締結用シャフト、ディスクと外筒と極めて部品点数が少なく、厚み０．１３ｍｍのセル構成板と厚み０．８ｍｍのガスセパレータ板を交互に積層するため、極めて小型軽量の燃料電池を得ることができた。
実施例２
図１に示す構造のセル構成板１として、直径１２０ｍｍ、厚み０．５ｍｍのＮｉ／ＹＳＺサーメット材の燃料側電極基板の一方面に、厚み０．００８ｍｍの安定化ジルコニア（８ＹＳＺ）膜を成膜し、さらに厚み０．０５ｍｍの（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ３材の酸化剤側電極膜を成膜して、総厚み０．５５８ｍｍのセル構成板を作製した。
実施例１と同じ材料と構成からなるガスセパレータ板１０を用いて、上記セル構成板とを交互に積層し、上述した実施例１と同じ図３のセルスタックユニットを５０段構成で作製した。
なお、線膨張係数（０〜１０００℃、α×１０−６）は、Ｎｉ／ＹＳＺサーメット材が１２．５、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３材が１２．５、フェライト鋼が１２．７と、各材料とも同等で、また安定化ジルコニア材は１０．３であるが、これを薄膜で用いるため、線膨張係数を積層方向に厚みとともに見ると近似性が良好となり、円板を積層して中央部で締結する基本構造と相まって、サーマルサイクル耐性に優れている。
酸化剤ガスに空気（１〜１０ｗｔ％の水蒸気を含む）、燃料ガスに水素を使用し、圧力５００Ｐｓ、反応温度７００〜８００℃で作動させて、発電効率を測定したところ、ガスの燃焼がそれぞれ一回であり効率としては不利なオープンガス流構成ではあるが、３０〜４２％の発電効率が得られた。
実施例３
実施例１と同様材料、寸法で図５の構成のガスセパレータ板３０、及びこれと同様のガス通路部を形成したセル構成板とを作製して、セルが３０段となるセルスタックユニットを作製して円筒内に配置し、燃料ガスはクローズドガス流構成で再燃焼可能にし、酸化剤ガスはオープンガス流構成でセル外に排気されて円筒内で回収するように構成した燃料電池を作製した。なお、セル構成板１とガスセパレータ板１０を交互に積層する際のガス通路部のシールは材料同士の当接のみでシール材は使用しなかった。
酸化剤ガスに空気（１〜１０ｗｔ％の水蒸気を含む）、燃料ガスに水素を使用し、圧力１０００Ｐｓ、反応温度７００〜８００℃で作動させて、発電効率を測定したところ、３８〜４５％の効率が得られた。
また、作動温度状態からさらにユニット全体を２００℃加熱昇温して、セルスタックユニット内のクローズドガス流構成で流れる燃料ガスの漏れの有無を観察したところ、過熱部や低温部などの異常箇所が全く見られず、漏れなどは発生していないことを確認した。
産業上の利用可能性
この発明による燃料電池は、実施例に明らかなように、ガス通路孔部を基板の中心部に設ける構成によって、セル構成板と金属製ガスセパレータ板を極めて薄く形成でき、例えば積層したセル構成板のピッチを２ｍｍ以下となし、燃料電池を著しく小型、軽量化することができ、前述のごとく部品点数が基本的に２種の基板２点と少なく、安価に提供できる。また、この発明により積層したスタックユニット全体を各基板の中央部のガス通路孔部で締結する構造から、高温作動時に生じるサーマルサイクル耐性を高めることが可能となった。
また、この発明による金属製ガスセパレータ板は、エッチングで精密にガス通路パターンや集電突起を形成できるため、オープン系、クローズド系のガス流れ、ガス圧力などを考慮してガス種に応じた最適のガス通路を設定でき、ガス圧損の低減、発電効率の向上が可能である。
特に、金属製ガスセパレータ板は、その両面に燃料ガス通路と酸化剤ガス通路パターンをそれぞれに形成できるもので、実施例に示すごとく、板厚みが１ｍｍ以下の金属板に溝深さと溝幅がそれぞれ０．５ｍｍ以下の溝を２ｍｍ以下のピッチで、各ガス流れに最適の通路パターンを各主面に形成するため、該板の軽量化が顕著であり、またガスセパレータ板の両面使用にて積層枚数の低減も可能であるから、積層したセルスタックユニットの軽量化が達成できる。
さらに、金属製ガスセパレータ板に実施例のフェライト鋼など、を用いた場合、他電極材料と線膨張係数を近似させることが可能であり、セルスタックユニット自体が中央部のガス通路孔部で締結支持されることと相まってサーマルサイクル耐性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
図１Ａはこの発明によるセル構成板の正面説明図、図１Ｂは側面説明図である。
図２Ａはこの発明によるガスセパレータ板の正面説明図、図２Ｂはその裏面側説明図である。
図３は、この発明によるセル構成板とガスセパレータ板の積層構成を示す分解説明図である。
図４は、この発明によるセル構成板とガスセパレータ板の他の積層構成を示す分解説明図である。
図５Ａはこの発明による他のガスセパレータ板の正面説明図、図５Ｂはその裏面側説明図である。
図６Ａはこの発明による他のガスセパレータ板の正面説明図、図６Ｂはその裏面側説明図である。
図７Ａはこの発明による他のガスセパレータ板の正面説明図、図７Ｂはその裏面側説明図である。
図８はこの発明による他のガスセパレータ板の正面説明図である。Technical field
The present invention relates to a novel configuration of a solid oxide fuel cell (Solid Oxide Fuel Cells, hereinafter abbreviated as SOFC), in which a gas passage hole is provided in the center of a substrate, and a cell configuration plate and a metal gas separator are provided. The plate can be formed extremely thin, for example, the pitch of the laminated cell component plates is set to 2 mm or less, and the entire laminated substrate is fastened at the gas passage hole in the center of the substrate to enhance the thermal cycle resistance generated at the time of high temperature operation. The present invention relates to a fuel cell which can be provided, in particular, has a small number of parts, can be reduced in size and weight, and can be provided at low cost by using a gas separator plate in which gas passages are formed on both surfaces of a metal plate by etching.
Background art
The composition of a SOFC that has been put into practical use today includes a cermet porous body of nickel and yttria-stabilized zirconia as a fuel electrode, yttria-stabilized zirconia as a fixed electrolyte, lanthanum manganite as an air electrode, and lanthanum chromite as an interconnect material. There is a so-called cylindrical SOFC in which a stack unit is formed by bundling a large number of cylindrical cells having one end closed.
In addition, a so-called flat SOFC in which a cell in which a fuel electrode made of a plate-shaped porous body, an electrolyte, and an oxygen electrode made of a porous body are sequentially stacked is sandwiched by a dense interconnect plate, and the stacked stack is arranged. Has been put to practical use.
As described above, the basic configuration of fuel cell power generation includes fuel reforming, a battery body, and an inverter that converts direct current generated from the battery into alternating current. However, SOFCs use hydrogen (H 2 ) Besides methane (CH 4 ) Can be used as fuel, and it is said that the fuel gas can be reformed (internal reforming) also in the battery section. That is, the remaining unburned gas reacted by the battery is burned, and the heat of combustion can be used for the reforming reaction (endothermic reaction).
SOFCs are expected to have a power generation efficiency of 50% or more due to high heat utilization efficiency, and since the operating temperature of the battery is as high as 1000 ° C., the exhaust heat is recovered by a steam recovery device to recover high-temperature steam. It is thought that application to a cogeneration system can be expected.
Cells are generally formed of solid ceramics in consideration of heat resistance, and cells are bundled or placed in a stack for power generation efficiency, preventing cracks due to differences in temperature and coefficient of thermal expansion between members. Measures are required.
Although the flat plate type SOFC can increase the cell density, it is important to improve the thermal cycle resistance by reducing the difference in the coefficient of thermal expansion of each part of the cell and the variation in the temperature distribution in the planar direction because of the laminated structure. Therefore, there is a problem that the thermal cycle resistance is basically inferior.
When a configuration in which only the upper end of the cell is fixed is adopted, the cylindrical SOFC has a feature that the expansion and contraction in the longitudinal direction of the cylinder with respect to the thermal cycle resistance is highly reliable. However, the structure in which a large number of cylindrical cells are bundled and arranged, and the structure in which air and fuel flow efficiently are complicated, space utilization efficiency is low, space is required, and power output is low due to poor electric conduction of ceramic materials. It is necessary to take special care such as sandwiching nickel felt for electrical connection.
Disclosure of the invention
An object of the present invention is to provide a basic configuration capable of extremely simplifying a gas pipe and a passage system of a cell. Another object of the present invention is to propose an SOFC having a stack structure for reducing unburned gas as much as possible in order to greatly improve power generation efficiency.
Another object of the present invention is to propose an SOFC having a configuration in which the number of parts is small, lightweight, compact, and inexpensive to manufacture.
Another object of the present invention is to propose an SOFC having a configuration in which the flow and distribution of air and fuel gas in a cell are made uniform and thermal cycle resistance hardly occurs.
The inventors of the present invention have conducted various studies on a configuration in which the flow and distribution of air (oxidant) gas and hydrogen (fuel) gas can be made uniform in an SOFC, and as a result, providing a gas passage radially from the center of the disk substrate. Focusing on providing a through hole in the center of the disk substrate and concentrating the gas inlet / outlet, there is a central through hole for gas passage in the center of the substrate at the center of the plate axis and symmetrical position around this When a plurality of gas passage holes are provided around the gas passage holes, the stacked cell substrates and the like can be supported and clamped by the gas passage holes in the center, and the fuel gas and the oxidizing gas can be Each gas flow can be optimized and the gas distribution can be made uniform.Especially, the temperature distribution becomes uniform in the radial direction, and there is little occurrence of thermal stress due to thermal expansion and thermal stress does not easily occur. It was found that there is.
In addition, the inventors have proposed that the center through-hole and the gas passage hole in which a plurality of peripheral through-holes are arranged symmetrically with respect to the center through-hole are shafts for supporting and tightening at the center of the stacked unit described above. In addition to the above, it has been found that the heat exchange means such as the use of the shaft or the heating or exhaust heat treatment of gas using a heat pipe or a double pipe can be appropriately arranged.
In addition, the inventors formed the gas passage hole in the center of the substrate, so that the fuel-side electrode layer and the air-side were formed on the main surfaces of the substrates on the outer peripheral side of the gas passage hole in the center of the axis of the solid electrolyte substrate. Since a cell component plate having a configuration in which the electrode layers are formed can be adopted, and the cell component plate can be thinned, the stack of the cells is arranged at the center by appropriately arranging a thin metal gas separator plate. It has been found that an extremely lightweight and compact fuel cell can be configured in combination with the ability to support and tighten.
In addition, the present inventors can adopt a configuration in which a fuel passage or an air passage pattern is formed on one or both main surfaces of each substrate on the outer peripheral side of the gas passage hole, respectively, in the gas separator plate. , A metal or alloy mesh member or a punched or etched member can be disposed on the main surface of the plate to facilitate formation, and a passage pattern can be easily formed by etching the surface using a metal or alloy plate. It is possible to reduce the thickness of the solid electrolyte substrate together with a cell component plate having electrodes formed on both surfaces thereof. For example, a cell component plate and a gas separator plate are alternately laminated, and the lamination pitch is about 2 mm or less and about 1 mm. And found that a very lightweight and compact fuel cell can be constructed.
Further, the inventors adopt a configuration in which an electrode layer and a gas passage pattern are formed on the main surface of the above-mentioned thin plate, so that the gas separator plate has two gas passage shapes as interconnectors, each having a gas composition and a flow rate. Since it can be designed and formed separately, and can be formed by etching on both sides of the gas separator plate, or a precise pattern of the gas passage can be formed by arranging a mesh member and an etching member, the gas flow It has been found that the battery performance can be improved by optimizing the structure, and that the use of metal can realize a configuration having a high current collecting capability and a small power generation loss, and completed the present invention.
That is, the present invention provides a cell configuration plate having a passage hole formed in a center portion of a disc formed by a center through hole concentrically arranged with a center axis and a plurality of peripheral through holes provided therearound; A laminate having a passage hole having a configuration in the center portion of the disk and a gas separator plate having a gas passage on the outer peripheral main surface thereof, wherein any or all of the through holes are formed of fuel or oxidant. A fuel cell having a structure in which a gas passage is formed and a gas passage pattern formed in a passage hole portion connects or disconnects a gas passage between laminated plates.
In addition, in the fuel cell having the above configuration, the inventors have a configuration in which at least one of the center through-hole and the peripheral through-hole is exclusively used as a hole for inserting the fastening shaft of the laminate or is also used as a gas passage. It has been found that when adopted, the fuel cell has a stack structure in which a large number of thin disks are stacked, that is, is supported by the axial center portion of a columnar stacked body, and thus has excellent heat balance and thermal cycle resistance.
In addition, in the fuel cell having the above-described structure, the inventors discharge the gas flow of the fuel gas and the oxidizing gas from the central passage hole to the outer peripheral portion of the stacked body through the radial reaction gas passage between the stacked plates. Flow-out, or conversely, an open gas flow configuration in which the flow from the outer periphery of the laminate is introduced into the central passage hole through the reaction gas passage between the laminates, or between the central passage hole and the laminate It is possible to adopt a closed gas flow configuration that returns from the outer peripheral side of the laminated body to the center passage hole portion again through the reaction gas passage, that is, the open gas flow where the fuel gas and the oxidizing gas flow out together. Or a closed gas flow, or a configuration in which the fuel gas and the oxidizing gas flow are different from each other and are either an open gas flow (flow-out or flow-in) or a closed gas flow. Employed can, improvement in the power generation efficiency, simplification of the structure, and knowledge to be able to provide a fuel cell of the various configurations in response to the pursuit of applications and functions such as high efficiency of gas recovery.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell structure formed by laminating a thin plate cell component plate and a gas separator plate, and in particular, a flow of a reaction gas is basically radially distributed from a central portion to an outer peripheral portion along a main surface of each thin plate. Or a gas passage that flows from the outer periphery to the center again or from the outer periphery to the center. The fuel cell has a configuration in which a gas supply passage is formed in the through hole in the stacking direction when the fuel cell is stacked.
The cell constituting plate 1 shown in FIG. 1 has a central through hole 3 for a fuel gas passage at the center of the axis of a solid electrolyte substrate 2 made of a thin disk here, and a plurality of oxidizing agents at symmetric positions with respect to the center. For the gas passage, here, a gas passage hole 5 in which four peripheral through holes 4a to 4d are arranged is formed. That is, the gas passage hole portion 5 is constituted by one central through hole 3 at the center of the axis and two or more peripheral through holes 4 arranged axially symmetrically around the central through hole 3.
Further, in this case, the fuel cell electrode layer 6 and the oxidant-side electrode layer 7 are formed on the entire surface of both main surfaces of the solid electrolyte substrate 2 of the cell constituting plate 1.
FIG. 2 shows the gas separator plate 10. As in the case of the gas separator plate 10, here, a metal substrate 11 made of a thin circular plate has a central through hole 12 for a fuel gas passage at the center of the axis thereof. A gas passage hole portion 14 in which four oxidant gas passage peripheral through holes 13a to 13d are arranged at symmetrical positions is formed.
In addition, the gas separator plate 10 has a gas passage pattern formed on the main surface thereof. The example shown in FIG. 2A is a pattern for an oxidizing gas, and the gas separator plate 10 has a central through hole 12 and peripheral through holes 13a to 13d. A convex portion 15 is formed in the gas passage hole portion 14 therebetween, and small projections 16 are radially formed on the outer peripheral side of the peripheral through holes 13a to 13d. The fuel gas is not supplied from the central through hole 12 between the cell constituting plate 1 and the gas separator plate 10 because the outer peripheral portion is closed by the convex portion 15.
However, since the small projections 16 are arranged at intervals around the peripheral through holes 13a to 13d, the oxidizing gas is supplied between the cell constituting plate 1 and the gas separator plate 10 through the holes to disperse. Will be done.
The example shown in FIG. 2B is a fuel gas passage pattern of the gas separator plate 10, in which convex portions 17a to 17d are formed around the peripheral through holes 13a to 13d. A large number of concentric arc-shaped convex portions 18 and radial convex portions 19 are formed on the outer peripheral side, and a gas passage pattern meandering radially and meandering from the gas passage hole 14 is provided. Therefore, when the peripheral through holes 13 a to 13 d are stacked with the cell constituting plate 1, the outer peripheral portion is closed by the convex portion 17, so that the oxidizing gas enters between the cell constituting plate 1 and the gas separator plate 10. Without this, the fuel gas is supplied and dispersed from the center through hole 12.
The gas separator plate 10 shown in FIG. 2 is made of a metal or an alloy material such as stainless steel, so that the various projections 15, 17 a to 17 d, 18, 19, and the small projections 16 constituting the above-described gas passage pattern are formed. Can be easily and precisely formed by an etching process performed by masking a required portion so as to leave a portion.
By this etching process, a current collecting projection can be provided in the meandering fuel gas passage. For example, protrusions or strips having a width or diameter of 1 mm or less can be manufactured at a pitch of 3 mm or less so that the needles are arranged at required intervals so as not to affect the gas flow.
As the gas passage pattern provided on the main surface of the gas separator plate 10, either a fuel gas passage pattern or an oxidizing gas passage pattern can be provided on one surface of a stainless steel thin plate, and the fuel gas and oxidizing gas passage patterns can be provided on both surfaces. A gas passage pattern for gas can be provided.
For the gas separator plate, a known metal material that can be used as an interconnect material can be appropriately selected, and in consideration of heat resistance and corrosion resistance, and further matching of thermal expansion coefficient with other members, a ferritic alloy, an austenitic alloy, Fe-Cr-W alloy materials are preferred. For example, SUS430 or the like is used as a ferrite alloy, and SUS310 is used as an austenitic alloy. Further, an Fe-Cr-W-based alloy material typified by an Fe-18Cr-7W-based material or the like can be employed.
Various coating materials can be provided on the surface of the gas separator plate. For example, (La, Sr) CrO 2 is provided on the oxidizing gas side to reduce electrical contact resistance and prevent Cr from evaporating from ferritic steel. 3 Use the same material as the oxidant-side electrode material such as, or use Ce on the fuel gas side to reduce the electrical contact resistance. 0.8 Y 0.2 O 1.9 For example, a highly conductive material such as a high conductivity material can be used.
1B, the fuel cell electrode plate 6 or the oxidant electrode layer 7 may be formed on both surfaces of the solid electrolyte substrate 2, respectively. As each material of the fuel-side electrode layer and the oxidant-side electrode layer, any known material can be adopted.
For example, general stabilized zirconia is used for the solid electrolyte, Ni / YSZ cermet is used for the fuel-side electrode material, and (La, Sr) MnO is used for the oxidant-side electrode material. 3 And any other known materials.
In the present invention, various lamination patterns can be adopted for the lamination configuration of the cell constituting plate 1 and the gas separator plate 10 according to the gas passage configuration of each substrate. For example, the laminated body example shown in FIG. 3 includes a cell configuration plate 1 in which a fuel-side electrode layer 6 or an oxidant-side electrode layer 7 is formed on both surfaces of the solid electrolyte substrate 2 shown in FIG. And a gas separator plate 10 provided with a passage pattern for oxidant gas and a passage pattern for oxidant gas on both sides of a stainless steel thin plate.
In particular, when gas passages are formed on both surfaces of the gas separator plate 10 by etching, the weight of the plate 10 is remarkably reduced and the number of stacked layers can be reduced, so that the weight of the stacked cell stack units can be reduced. .
The gas passage holes 5 and 14 of the cell constituting plate 1 and the gas separator plate 10 have the center through holes 3 and 12 for the fuel gas (F) passage at the axial center as described above, and are symmetrically positioned with respect to this center. Are formed with gas passage holes 5, 14 in which four peripheral through holes 4a to 4d and 13a to 13d for the oxidant gas (A) passage are arranged. Therefore, as shown in FIG. 3, by alternately stacking the cell constituting plates 1 and the gas separator plates 10, five through-holes communicate with each other in the stacking direction to form five gas passages.
Although FIG. 3 does not show a state where the thin plates are in contact with each other, the hydrogen of the fuel gas (F) supplied from the fuel gas passage through the central through holes 3 and 12 is introduced and dispersed on the lower surface of each gas separator plate 10. Then, the air of the oxidizing gas (A) supplied from the oxidizing gas passage formed by the peripheral through holes 4a to 4d and 13a to 13d comes into contact with the fuel-side electrode layer 6 on the upper side of the cell constituting plate 1, It is introduced and dispersed on the upper surface of the separator plate 10, comes into contact with the oxidant-side electrode layer 7 below the cell constituting plate 1, and is discharged to the outer peripheral side of the cell constituting plate 1 and the gas separator plate 10.
The example of the laminate shown in FIG. 4 is a cell configuration plate 1 and a gas separator plate 20 having the same configuration as in FIG. 3, but the gas passages on both main surfaces of the gas separator plate 10 in FIG. While the passage is formed by the formed groove, in the gas separator plate 20 of FIG. 5, for example, the gas passage hole 24 is formed in the same manner as in FIGS. The gas passages are formed on both main surfaces by disposing the metal mesh member 25 in a shape of a circle.
In this case, it is possible to improve the current collecting ability by the metal mesh member 25, that is, to adopt a configuration in which the power generation loss is small. As the metal mesh member, a structure such as plain weave or twill weave made of JIS standard stainless steel wire or nickel alloy wire can be adopted, and the wire diameter can be appropriately selected from those of about 0.05 to 0.2 mm.
It is needless to say that the same operation and effect can be obtained by laminating using a punching member or an etching member of a metal or alloy material capable of forming a gas passage pattern instead of the above-described metal mesh member.
In the laminate structure shown in FIGS. 3 and 4, the cell constituting plate 1 and the gas separator plates 10 and 20 are laminated, and shafts are inserted into the central through holes 3, 12, and 22 and fastened to both ends of the laminate. The disks for stacking can be contacted and fastened by nuts to the shaft, so that the plates to be laminated can be contacted and fastened at the gas passage holes 5, 14, and 24. It can be supported at the center of the plate, and can be integrated by tightening with a fastening shaft.The gas passage is formed by the close contact of the discs, and each gas can flow radially from the center, and it has thermal cycle resistance. The gas flow can be equalized with the reduction.
In the present invention, in addition to the case where only the center through hole is used as in the above-described example, the hole through which the fastening shaft is inserted, and a case where a part or all of the center through hole and the surrounding through hole is used, a part of the surrounding through hole is used. Various layouts can be adopted, such as when all or all are used, and in any case, a configuration in which one or a plurality of shafts are arranged axially symmetrically to fasten the laminate can be adopted.
Since the central through-hole and the peripheral through-hole serve as gas supply or discharge passages, if a plurality of fastening shafts are inserted into the required through-holes, heat may be received depending on the type of gas, and the heat may enter each fastening shaft. The passage and the gas type may be appropriately selected so that heat and the like are equalized. In addition, this fastening shaft is used as a heat conductor of a bulk or a heat pipe, or a double pipe or the like is used to actively release or recover heat from the cell stack unit, or to heat a predetermined gas, It can be used as a configuration for performing temperature management.
In the stacked configuration in which the cells shown in FIGS. 3 and 4 are arranged in a stack, a configuration in which the stacked cell units are placed in a cylindrical body and the gas discharged to the outer peripheral portion is collected can be adopted. Although not shown, through holes are appropriately arranged in the outer peripheral portions of the cell constituting plate 1 and the gas separator plates 10 and 20, and the oxidizing gas and the fuel gas are individually collected similarly to the above-described gas passage holes. It is also possible to form a communication hole.
The example of the cell unit shown in FIGS. 3 and 4 has an open gas flow configuration in which the oxidizing gas and the fuel gas are respectively discharged from the central passage hole to the outer periphery of the laminate through the radial gas passage between the laminates. is there.
Further, in the configuration of the present invention, it is possible to adopt a closed gas flow configuration that returns from the outer peripheral side of the laminate to the central passage hole portion again through the radial gas passage between the laminated plates from the center passage hole portion, In addition to using both the oxidizing gas and the fuel gas as a closed gas flow, it is possible to combine an open gas flow configuration and a closed gas flow configuration with the oxidizing gas and the fuel gas.
The gas separator plate 30 shown in FIG. 5A is a passage pattern for an oxidizing gas having an open gas flow structure, similarly to the example shown in FIG. The gas passage hole portion 34 is formed by the hole 32 and eight peripheral through holes 33a to 33h having a small inner diameter arranged around the hole 32, and annular convex portions 35a to 35h are formed around the peripheral through holes 33a to 33h. In addition, a number of small projections 36 are formed concentrically on the outer peripheral side of the peripheral through holes 33a to 33h.
Although not shown, it has a gas passage hole composed of a central through hole 32 and eight peripheral through holes 33a to 33h, and a fuel electrode layer and an oxidant electrode layer are formed on the main surfaces of the respective substrates. When the cell constituting plate and the gas separator plate 30 shown in FIG. 5A are laminated in contact with each other, the peripheral through holes 33a to 33h are closed by the annular convex portions 35a to 35h, and the center through hole 32 is connected to the cell constituting plate. The oxidizing gas supplied from the central through hole 32 is supplied in a radial direction through the space between the annular convex portions 35a to 35h and communicates with the gas separator plate 30, and is dispersed by the small protrusions 36. Released from the outer edge of the plate.
The example shown in FIG. 5B is a fuel gas passage pattern formed on the other main surface of the gas separator plate 30, and has a closed gas flow configuration. That is, a substantially annular convex portion 37 is formed except for a part of the periphery of the peripheral through holes 33a to 33h in the entire outer periphery of the central through hole 32 provided at the center of the metal substrate 31. A large number of arc-shaped convex portions 38a and radial convex portions 38b are formed concentrically on the outer peripheral side of 〜13d to form a connection with the substantially annular convex portion 37, and a ring-shaped convex portion 39 is formed on the outer peripheral end of the metal substrate. Thus, when the cell constituting plate having the same passage hole and the gas separator plate 30 are stacked, the fuel gas supplied from the specific peripheral through holes 33b, 33c, 33f, and 33g is emitted in the radial direction. The gas passage pattern is introduced and meanders, proceeds to the outer peripheral side, meanders again from the outer peripheral part, returns to the center side, and forms a gas passage pattern that enters another specific peripheral through-hole 33a, 33d, 33e, 33h different from the previous one. is there.
Therefore, in the case of a stacked body in which cells composed of the gas separator plate 30 and the cell constituting plate shown in FIG. 5 are stacked, the oxidizing gas is supplied from the central through hole 32 and discharged to the cell outer peripheral side in an open gas flow configuration. Then, the fuel gas is supplied from the peripheral through holes 33b, 33c, 33f, and 33g, and is collected in a closed gas flow configuration that enters another specific peripheral through hole 33a, 33d, 33e, and 33h. .
In the gas separator plate 40 shown in FIG. 6, each passage is formed such that both the fuel gas passage pattern and the oxidizing gas passage pattern have a closed gas flow configuration. The configuration shown in FIG. 6A is a fuel gas passage pattern in which one center through-hole 42 having a relatively large inner diameter is provided at the center of the metal substrate 41, and six peripheral through-holes 43a to 43 having a small inner diameter are arranged therearound. 43f, a gas passage hole 44 is formed, and a substantially semicircular convex portion 44a is formed around the peripheral through holes 43b and 43c except for a part of the peripheral through hole 43a. The semi-circular convex portions 44b are formed around the peripheral through-holes 43e and 43f except for a part of the central through-hole 42, and the central through-hole 42 is sandwiched between the two substantially semi-circular convex portions 44a and 44b to form a diametrical passage. Is formed.
The semi-circular convex portions 44a and 44b on the metal substrate 41 have an arc-shaped convex portion 45 provided on the outer peripheral side thereof connected to the radial convex portion 46, and a ring-shaped convex portion on the outer peripheral portion. 47 is formed, when the fuel cell electrode layer and the oxidant-side electrode layer are formed on the main surface of each substrate with a gas passage hole in which a through-hole of the same configuration is arranged, and the cell-containing plate is laminated, The fuel gas supplied from the central through-hole 42 is meandered along the radial convex portion 46 and the arc-shaped convex portion 45, returned to the central portion again, and collected from the specific peripheral through-holes 43a, 43d.
The configuration shown in FIG. 6B is a passage pattern for the oxidizing gas formed on the other main surface of the gas separator plate 40, the arrangement of the through holes is exactly the same, the periphery of the central through hole 42 and all the peripheral through holes. A substantially circular convex portion 48 is formed so as to cover the periphery of 43a to 43f. However, the convex portion is removed around the peripheral through holes 43b, 43c, 43e, and 43f so that the outer peripheral side is desired. Is formed. By connecting the convex portion 48 and the arc-shaped convex portion 45 between the peripheral through holes 43b and 43c and between the peripheral through holes 43e and 43f which are arranged adjacent to each other by the radial convex portion 46, the outer peripheral ring-shaped convex portion 47 is formed. A passage meandering on the semicircular main surface is formed between the two.
In the oxidizing gas passage pattern shown in FIG. 6B, for example, the oxidizing gas introduced from the surrounding through-hole 43e is meandered along the radial convex portion 46 and the arc-shaped convex portion 45, and is returned to the central portion and introduced again. It is discharged and collected from the peripheral through hole 43f adjacent to the side.
Therefore, in the case of a stacked body in which the cells composed of the gas separator plate 40 and the cell constituting plate shown in FIG. 6 are arranged in a stack, the fuel gas is supplied from the central through-hole 42 and the specific peripheral through-hole 43a is formed in a closed gas flow configuration. , 43d, and the oxidant gas is supplied from the peripheral through holes 43b, 33e, and is recovered in a closed gas flow configuration that enters another specific peripheral through hole 43c, 43f.
Further, the gas passage pattern having the closed gas flow configuration shown in FIG. 6B can be formed on both surfaces of the gas separator plate 50, so that the oxidizing gas and the fuel gas can each be closed gas flows.
That is, as shown in FIGS. 7A and 7B, the gas is formed by one central through hole 52 having a relatively large inner diameter provided at the center of the metal substrate 51 and eight peripheral through holes 53a to 53h having a small inner diameter disposed therearound. A passage hole portion 54 is formed, and convex portions 55a and 55b for determining connection and cutoff between the through hole and the passage are arranged so as to surround the center through hole 52 and the surrounding through holes 53a to 53h.
In FIG. 7A, the convex portion 55a is formed around the peripheral through holes 53a, 53h, 53d, and 53e so that the convex portion is removed so that the outer peripheral side is desired. The convex portion 55a and the arc-shaped convex portion 56 are connected to each other by the radial convex portion 57 between the outer peripheral ring-shaped convex portion 58 and the outer peripheral ring-shaped convex portion 58 by meandering on the semicircular main surface. A passage is formed.
With this configuration, the pattern of FIG. 7A can be used as a gas passage for the oxidizing gas, and as shown in FIG. 7B, the pattern of the convex portion 55a of FIG. 7A is changed so as to change the surrounding through hole communicating with the passage. With the configuration of the convex portion 55b shifted by 90 degrees, the fuel gas can be made a closed gas flow between the peripheral through holes 53b and 53c and between the peripheral through holes 53f and 53g different from FIG. 7A.
The gas separator plate 60 shown in FIG. 8 pursues the advantage of forming gas passages on both surfaces of a metal plate by etching to the utmost. In other words, according to the type of supply gas, the pressure and flow rate of the gas, etc., select a flow path pattern that takes into account the uniform flow without stagnation to improve the reaction efficiency and a pattern that demonstrates sufficient current collection performance. The metal plate is etched on both sides.
Etching can be performed in an arbitrary pattern and precisely as described above, and an interconnector having a fine current pattern and excellent current collecting performance and gas diffusivity can be manufactured.
FIG. 8 shows an oxidizing gas passage pattern, which is basically the same as the oxidizing gas passage pattern of the open gas flow configuration that flows from the center to the outer peripheral portion shown in FIG. 5A. It is composed of A gas passage hole is formed by one central through-hole having a large inner diameter provided at the center of the metal substrate and eight peripheral through-holes 63 having a small inner diameter arranged around the central through-hole. As shown in FIG. 5A, a large number of small projections arranged concentrically are connected in a zigzag pattern, and thin crank-shaped projections are radially arranged at predetermined intervals to form a thin ring from the center through hole. An oxidant gas passage extending to the outer periphery through the crank-shaped passage is formed, and has a so-called heline bone pattern formed by a series of thin crank-shaped protrusions (grooves).
Although not shown, a fuel gas passage pattern is provided on the main surface on the back surface side of the metal substrate shown in FIG. 8, but also a thin crank-shaped convex portion is similarly formed, and a continuous return passage is provided on the outer peripheral portion. Thus, a closed gas flow in which the fuel gas exiting from the peripheral through-hole reciprocates in the passage in the shape of a heirbone and returns to the adjacent peripheral through-hole can be formed.
Example
Example 1
As a cell configuration plate 1 having the structure shown in FIG. 1, a fuel-side electrode film made of a 0.015 mm thick Ni / YSZ cermet material was formed on both sides of a stabilized zirconia (8YSZ) substrate having a diameter of 60 mm and a thickness of 0.1 mm. 015mm (La, Sr) CrO 3 An oxidant-side electrode film of the material was formed.
As a gas separator plate 10 having the structure shown in FIG. 2, a gas passage pattern is formed on both surfaces of a ferrite steel substrate having a diameter of 60 mm and a thickness of 0.8 mm by etching so that the substrate thickness is 0.2 mm and the passage height is 0.3 mm. It was formed and manufactured.
The obtained cell constituting plates 1 and the gas separator plates 10 are alternately laminated, a shaft is inserted into the central through holes 3, 12, and 22, and a ferrite steel fastening disc is brought into contact with both ends of the laminated body. The nuts are fixed to the shaft, and the plates to be laminated are brought into contact with the gas passage holes 5, 14, and 24 and fastened to produce a cell stack unit having 30 steps of cells. The oxidizing gas and the fuel gas exhausted in an open gas flow configuration are disposed inside the cylinder. When the cell constituting plates 1 and the gas separator plates 10 were alternately laminated, the gas passage portion was sealed only by contact between the materials, and no sealing material was used.
In the fuel cell having the above configuration, the stack unit itself is basically two points of a cell configuration plate and a gas separator plate as constituent components, and the number of parts such as a fastening shaft, a disk and an outer cylinder is extremely small, Since the cell constituting plates having a thickness of 0.13 mm and the gas separator plates having a thickness of 0.8 mm were alternately laminated, a very small and lightweight fuel cell could be obtained.
Example 2
As a cell configuration plate 1 having the structure shown in FIG. 1, a stabilized zirconia (8YSZ) film having a thickness of 0.008 mm is formed on one surface of a fuel-side electrode substrate made of a Ni / YSZ cermet material having a diameter of 120 mm and a thickness of 0.5 mm. And a 0.05 mm thick (La, Sr) CrO 3 An oxidant-side electrode film of the material was formed to prepare a cell constituting plate having a total thickness of 0.558 mm.
Using the gas separator plate 10 made of the same material and configuration as in Example 1, the above-mentioned cell component plates were alternately laminated, and the same cell stack unit as in Example 1 described above with reference to FIG.
The linear expansion coefficient (0 to 1000 ° C., α × 10 -6 ) Is Ni / YSZ cermet material of 12.5, (La, Sr) MnO 3 The material is 12.5, the ferrite steel is 12.7, which is the same for each material, and the stabilized zirconia material is 10.3. Since this is used as a thin film, the coefficient of linear expansion is observed along with the thickness in the stacking direction. And the basic structure in which the disks are stacked and fastened at the center is excellent in thermal cycle resistance.
Using air (including water vapor of 1 to 10 wt%) as the oxidizing gas and hydrogen as the fuel gas, operating at a pressure of 500 Ps and a reaction temperature of 700 to 800 ° C., and measuring the power generation efficiency, the combustion of the gas was Although it is an open gas flow configuration that is one time and disadvantageous in efficiency, a power generation efficiency of 30 to 42% was obtained.
Example 3
A gas separator plate 30 having the same material and dimensions as in Example 1 and having the configuration shown in FIG. 5 and a cell configuration plate having a gas passage portion similar to the above were prepared to produce a cell stack unit having 30 cells. A fuel cell was constructed in which the fuel gas was recombustible in a closed gas flow configuration and the oxidizing gas was exhausted out of the cell in an open gas flow configuration and recovered in the cylinder. . When the cell constituting plates 1 and the gas separator plates 10 were alternately stacked, the gas passages were sealed only by contact between the materials, and no sealing material was used.
Using air (including water vapor of 1 to 10 wt%) as the oxidizing gas and hydrogen as the fuel gas, operating at a pressure of 1000 Ps and a reaction temperature of 700 to 800 ° C., and measuring the power generation efficiency, it was found that the power generation efficiency was 38 to 45%. Efficiency was obtained.
Further, the entire unit was further heated to 200 ° C. from the operating temperature state, and the presence or absence of leakage of fuel gas flowing in a closed gas flow configuration in the cell stack unit was observed. It was confirmed that no leakage was observed at all.
Industrial applicability
In the fuel cell according to the present invention, as is apparent from the embodiment, the cell structure plate and the metal gas separator plate can be formed extremely thin by the structure in which the gas passage hole is provided at the center of the substrate. The pitch is set to 2 mm or less, so that the fuel cell can be remarkably reduced in size and weight, and as described above, the number of components is basically as small as two types of two substrates, and the fuel cell can be provided at low cost. Further, according to the present invention, the structure in which the entire stacked unit is fastened by the gas passage hole at the center of each substrate makes it possible to enhance the thermal cycle resistance generated during high-temperature operation.
In addition, since the metal gas separator plate according to the present invention can precisely form a gas passage pattern and a current collecting projection by etching, it is optimal for a gas type in consideration of an open system, a closed system gas flow, a gas pressure, and the like. Gas passage can be set, thereby reducing gas pressure loss and improving power generation efficiency.
In particular, the metal gas separator plate can be formed with a fuel gas passage and an oxidizing gas passage pattern on both surfaces thereof. As shown in the examples, a metal plate having a plate thickness of 1 mm or less has a groove depth and a groove width. Since grooves each having a diameter of 0.5 mm or less are formed at a pitch of 2 mm or less on each main surface, an optimal passage pattern for each gas flow is obtained, so that the weight of the plate is remarkably reduced. Since the number of stacked cells can be reduced, the weight of the stacked cell stack units can be reduced.
Furthermore, when the ferrite steel of the example or the like is used for the metal gas separator plate, it is possible to approximate the linear expansion coefficient with other electrode materials, and the cell stack unit itself is fastened at the gas passage hole in the center. Thermal cycle resistance can be enhanced in combination with the support.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a front explanatory view of a cell constituting plate according to the present invention, and FIG. 1B is a side explanatory view.
FIG. 2A is an explanatory front view of a gas separator plate according to the present invention, and FIG.
FIG. 3 is an exploded explanatory view showing a laminated structure of a cell constituting plate and a gas separator plate according to the present invention.
FIG. 4 is an exploded explanatory view showing another laminated structure of the cell constituting plate and the gas separator plate according to the present invention.
FIG. 5A is a front view of another gas separator plate according to the present invention, and FIG. 5B is a back side view.
FIG. 6A is a front view of another gas separator plate according to the present invention, and FIG. 6B is a back side view.
FIG. 7A is a front view of another gas separator plate according to the present invention, and FIG. 7B is a back side view.
FIG. 8 is an explanatory front view of another gas separator plate according to the present invention.
